亥姆霍兹线圈磁场对锂离子电池性能的影响

阮观强,郁长青,胡 星,华 菁

（上海电机学院机械学院,上海 201306）

三元正极材料锂离子电池是应用较多的动力电池之一,受到较广泛的研究[1]。影响锂离子电池充放电性能的因素很多,如充放电倍率、内阻和温度等。鲁怀敏等[2]对软包装三元正极材料锂离子电池进行压力实验,认为充放电容量随着压力的增加而降低。郑昆等[3]研究了环境温度对新标准欧洲循环（NEDC）工况下锂离子电池组放电性能的影响,发现随着环境温度的降低,容量和能量因内阻增大而衰减。这些结果有助于深入研究锂离子电池性能的影响因素。

在实际工况中,电动汽车中的高压导线、电动机和其他电气设备等都会产生磁场,可能会影响动力电池的充放电性能。H.M.Cheng等[4]将γ-Fe2O3掺入磷酸铁锂（LiFePO4）正极材料中,证明γ-Fe2O3产生的磁场在带电的LiFePO4颗粒上产生磁力,并加速电子运动,提高了电池的功率密度,延长了循环寿命,以10.0 C倍率在2.5～4.3 V循环,正极材料为纯LiFePO4的电池的放电比容量为1.8 mAh/g,掺入15%γ-Fe2O3后增加至69.8mAh/g。 以5.0 C倍率循环35次后,正极掺入15%γ-Fe2O3电池的容量保持率为92.6%,高于纯磷酸铁锂锂离子电池的65.3%。K.Shen等[5]将磁感应强度为350 mT的旋转磁场施加到锂金属电池的阳极上,使Li+受洛伦兹力作用,并产生磁流体动力学（MHD）效应,可抑制锂枝晶的形成,提高电池的倍率性能和稳定性,未施加磁场时,在3.0 V下,0.5 C、4.0 C放电比容量分别为112 mAh/g、68 mAh/g,施加磁场后,放电比容量分别增加至132 mAh/g、97 mAh/g。J.Billaud等[6]在电极制造过程中施加低强度磁场,使石墨颗粒垂直于集流体定向。此方法仅通过改变电极的内部结构,就增加了锂离子电池的容量,与未施加磁场相比,施加磁场后的放电比容量增加了1.6～3.0倍。

有鉴于此,本文作者以锂离子电池为研究对象,放置于不施加磁场和施加不同磁感应强度的亥姆霍兹线圈磁场的环境中,进行充放电实验,通过比较容量、能量和端电压等性能参数的变化,分析亥姆霍兹线圈磁场对性能的影响。

1 实验

1.1 实验对象及设备

为研究锂离子电池在不同磁场环境下的充放电特性,搭建的测试平台如图1所示。

图1 实验平台示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

测试对象为松下18650型锂离子电池（日本产）,正极为LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2三元材料,负极材料为石墨,单体容量为3 000 mAh。用MACCOR-M4300桌面电池测试系统（美国产,电压范围为±5 V,电流范围为0～5 A,电压精度为满量程的0.02%,电流精度为所选量程满刻度的0.01%,时间分辨率为10 ms）对电池进行充放电测试。用PS1LXG-280型亥姆霍兹线圈（湖南产）产生磁场,磁感应强度为0～80 mT,精度为0.1%。电池温度用E型热电偶（美国产,测量范围为-40～375℃,允差值为1.5℃）测量。热电偶布置在电池侧面靠近正极处、侧面中部和侧面靠近负极处,如图2所示。

图2 热电偶布置位置Fig.2 Thermocouple layout position

1.2 不施加磁场时的测试方法

不施加磁场（磁感应强度为0）时,锂离子电池充放电性能测试方法如下:放电规则为电池以1/3 C倍率恒流放电至终止电压2.75 V;充电规则为电池以1/3 C倍率恒流充电至截止电压4.20 V。电池所处环境温度控制在20℃。

在不同倍率下对锂离子电池进行充放电,实验步骤为:①将电池按照放电规则放电;②放电完成后,将电池搁置1 h;③将电池按照充电规则充电;④充电完成后,将电池搁置1 h;⑤按步骤①～④循环一次;⑥改变充放电倍率为1/2 C、1 C,并重复以上步骤。

采样时间为5 s。当每种倍率的充放电实验完成后,考虑到数据的稳定性,记录第2次循环时,电池的电压、电流、容量、能量和温度等相关参数。

1.3 施加亥姆霍兹线圈磁场时的测试方法

施加亥姆霍兹线圈磁场时,电池的充放电性能测试方法为:将电池放置在亥姆霍兹线圈中,设置给亥姆霍兹线圈供电的直流电源的电流为1 A,放电、充电规则不变。

在不同磁感应强度下,对锂离子电池进行充放电,具体实验步骤为:①按不施加磁场的充放电方法进行测试;②改变流过亥姆霍兹线圈的电流为5 A和10 A。

采样时间为5 s。当直流电源的电流大小为1 A、5 A和10 A时,产生磁场的磁感应强度分别为3.95 mT、19.75 mT和39.50mT。当每组充放电实验完成后,记录第2次循环时,电池的电压、电流、容量、能量和温度等相关参数。

2 结果与讨论

2.1 容量对比

被测电池在不同磁感应强度下的放电容量如图3所示,放电倍率分别为1 C、1/2 C和1/3 C。

图3 电池在不同磁感应强度下的放电容量Fig.3 Discharge capacity of battery under different magnetic induction intensities

从图3可知,在同一磁感应强度下,随着电池放电倍率的增大,放电容量逐渐减小。在同一放电倍率下,随着磁感应强度的增大,电池的放电容量逐渐增大。以1/3 C倍率为例,磁感应强度为0时,放电容量为2.46 Ah;当磁感应强度增加至3.95 mT时,放电容量为2.51 Ah,增加了2.03%;当磁感应强度增加至19.75 mT时,放电容量为2.66 Ah,增加了8.13%;当磁感应强度增加至39.50 mT时,放电容量为2.89 Ah,增加了17.48%。

产生这一现象的原因是:亥姆霍兹线圈产生的磁场能给带电的Li+提供洛伦兹力,促使Li+在电解液中均匀分布,加快Li+从负极扩散到正极的速度,使反应进行得更充分,进而增加电池的放电容量。随着磁感应强度的增大,洛伦兹力逐渐增大,进一步加快了Li+的扩散速度。在实际工况中,可适当提高电池所处磁场的磁感应强度,来提高放电性能。

电池在不同磁感应强度下的充电容量如图4所示。

图4 电池在不同磁感应强度下的充电容量Fig.4 Charging capacity of battery under different magnetic induction intensities

从图4可知,电池的充电容量随着磁感应强度的增大而增大,且整体趋势与图3基本相同,原因与放电容量增加相同。

综上所述,磁场对锂离子电池的充放电容量均有影响,电池的充放电容量随着磁感应强度的增大而增大,且两者近似呈线性关系。

2.2 能量对比

电池在不同磁感应强度下的放电能量如图5所示。

图5 电池在不同磁感应强度下的放电能量Fig.5 Discharge energy of battery under different magnetic induction intensities

从图5可知,在同一磁感应强度下,随着电池放电倍率的增大,放电能量逐渐减小。以1/3 C倍率为例,当磁感应强度为0时,电池的放电能量为8.66Wh;当磁感应强度增加至3.95 mT时,放电能量为8.85Wh,增加了2.20%;当磁感应强度增加至19.75 mT时,放电能量为9.40 Wh,增加了8.55%;当磁感应强度增加至39.50 mT时,放电能量为10.28Wh,增加了18.71%。与放电容量相似,随着磁感应强度的增大,电池的放电能量逐渐增大,原因是磁场产生的洛伦兹力使带电的Li+均匀分布,加快了Li+从负极扩散到正极的速度,使反应进行得更充分,放电能量增加。

电池在不同磁感应强度下的充电能量如图6所示。

图6 电池在不同磁感应强度下的充电能量Fig.6 Charging energy of battery under different magnetic induction intensities

从图6可知,电池的充电能量随着磁感应强度的增大而增大,且整体趋势与图5基本相同。充电能量相对放电能量有所增加,是因为电池在放电过程中内部的化学反应更剧烈,并产生大量热量,而充电过程产生的热量相对较少。综上所述,磁场对锂离子电池的充放电能量均有影响,充放电能量随着磁感应强度的增大而增大。

2.3 放电温升对比

经过测量,电池表面3个被测点温度相差不超过1℃,因此选择T2即电池表面中部温度数据加以分析,并计算电池在第2次循环放电过程中温升的数值,如图7所示。

图7 电池在不同磁感应强度下的放电温升Fig.7 Discharge temperature rise of battery under different magnetic induction intensities

从图7可知,以1/3 C倍率为例,当电池未放在磁场中,即磁感应强度为0时,电池的放电温升为4.67℃;当磁感应强度增加至3.95 mT时,电池的温升为6.45℃,增加了38.12%;当磁感应强度增加至19.75 mT时,电池的温升为12.21℃,增加了161.46%;当磁感应强度增加至39.50 mT时,电池的温升为27.91℃,增加了497.64%。这表明,随着磁感应强度的增大,电池的表面温度剧烈增加,原因是亥姆霍兹磁场提供的洛伦兹力使Li+在电解液中均匀分布,加速了Li+的扩散,使电池的温度升高。且1 C倍率放电时的温升曲线更加陡峭,而1/2 C倍率和1/3 C放电时的温升曲线相对平缓。由此可见,随着放电倍率的增大,磁感应强度的增加对电池的温升作用更加明显。

2.4 放电曲线

电池在不同磁感应强度下的1/3 C倍率放电曲线如图8所示。

图8 电池在不同磁感应强度下的1/3 C倍率放电曲线Fig.8 1/3 C rate discharge curves of battery under different magnetic induction intensities

从图8可知,在初始放电时,电压下降较快,之后放电曲线趋于平缓,进入放电平台。当放电快结束时,电压突然下降至终止电压。这是因为在放电过程中,负极发生氧化反应,释放出电子,正极发生还原反应,正、负极之间的电压差逐渐降低。磁感应强度影响电池的放电容量,随着磁感应强度的增大,放电容量逐渐增大,且磁感应强度越大,电池的端电压越高。随着磁感应强度的增大,放电电压平台呈上升趋势,且磁感应强度越大,平台时间越长,变化越缓慢。当磁感应强度仅为3.95 mT时,与磁感应强度为0时的放电曲线基本重合,但当磁感应强度增加至19.75 mT甚至39.50 mT时,放电电压平台明显升高,说明适当提高磁感应强度可提高电池的放电平台,提高锂离子电池的放电性能。

3 结论

本文作者选取以LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2为正极活性物质的锂离子电池作为实验对象,在不同磁感应强度的亥姆霍兹线圈磁场中,研究磁场对锂离子电池充放电性能的影响,包括充放电容量、能量、温升和端电压等。

实验结果表明:锂离子电池的充放电容量均随着磁感应强度的增加而增大,在1/3 C倍率下,当磁感应强度增加至3.95mT、19.75mT和39.5mT时,电池放电容量分别增加了2.03%、8.13%和17.48%,两者近似呈线性关系。锂离子电池的充放电能量均随着磁感应强度的增加而增大,且放电能量略小于充电能量;电池表面温度随着磁感应强度的增大而增加;放电端电压随着磁感应强度的增加而增大。

施加亥姆霍兹线圈磁场可在一定程度上提高锂离子电池的性能。